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Die Erfindung betrifft eine Pumpeinrichtung.
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Pumpeinrichtungen zum Pumpen von Fluiden weisen beispielsweise einen in einem Zylinder angeordneten Kolben auf. Der Kolben wird durch Expansion eines Verbrennungsgases in einem Expansionsraum bewegt. Durch die Bewegung des Kolbens erfolgt in einem Förderraum das Pumpen des zu pumpenden Mediums durch einen Auslass des Förderraums. Derartige bekannte Pumpeinrichtungen weisen einen schlechten Wirkungsgrad auf.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpeinrichtung mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Pumpeinrichtung weist mindesten einen in einem Zylinder angeordneten Freikolben auf. Der Freikolben ist in dem Zylinder frei bewegbar und nicht mit einer Kolbenstange oder dergleichen verbunden. Derartige Freikolben sind beispielsweise aus
US 6,484,674 bekannt. In dem Zylinder ist ein Expansionsraum vorgesehen, in den zur Bewegung des Freikolbens ein expandierendes Medium wie beispielsweise Verbrennungsgas oder überhitzter Dampf zugeführt wird. Ferner ist in dem Zylinder ein Förderraum angeordnet, in dem durch Bewegen des Freikolbens Medium gefördert wird und durch eine Förderleitung abgeführt werden kann. Erfindungsgemäß ist außerhalb des Zylinders mindestens eine Zusatz-Pumpeinrichtung angeordnet, die ebenfalls mindestens einen Freikolben aufweisen kann. Diese dient zum zusätzlichen Pumpen von Medium, wobei die in dem Expansionsraum auftretende Wärme von der Zusatz-Pumpeinrichtung genutzt wird. Hierzu ist eine Wärmeübertragungseinrichtung zur Übertragung von Abwärme aus dem Expansionsraum zu der mindestens einen Zusatz-Pumpeinrichtung vorgesehen. Aufgrund des Vorsehens von mindestens einer Zusatz-Pumpeinrichtung, die zumindest einen Teil der bei der Expansion in dem Expansionsraum erzeugten Abwärme nutzt, kann eine erhebliche Wirkungsgradverbesserung erzielt werden.
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Bei einer ersten bevorzugten Anordnung sind mehrere Zusatz-Pumpeinrichtungen vorgesehen, die außerhalb des Zylinders, beispielsweise auf einem Kreisring angeordnet sind. Es handelt sich hierbei um mehrere einzelne Zusatz-Pumpeinrichtungen, die jeweils einen Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt und vorzugsweise mindestens einen Freikolben aufweisen. Vorzugsweise sind die mehreren Zusatz-Pumpeinrichtungen innerhalb der Wärmeübertragungseinrichtung angeordnet. Beispielsweise ist dies dadurch realisiert, dass die Zusatz-Pumpeinrichtungen in einem insbesondere ringförmigen, den Zylinder umgebenden Raum der Wärmeübertragungseinrichtung angeordnet sind. Die Abwärme des Expansionsraums wird auf ein in dem Raum der Wärmeübertragungseinrichtung vorhandenes Medium übertragen, durch das sodann die Außenwände der Zusatz-Pumpeinrichtungen gewärmt werden. Ebenso können Abgase aus dem Expansionsraum vollständig oder teilweise in den Raum der Wärmeübertragungseinrichtung eingeleitet werden, um eine Wärmeübertragung auf die Zusatz-Pumpeinrichtungen zu realisieren. Dies führt zur Wärmezufuhr zu den einzelnen Expansionsräumen der Zusatz-Pumpeinrichtung. In den Raum der Wärmeübertragungseinrichtung kann hierbei nachdem das Medium expandiert ist, dieses Medium wie beispielsweise das Abgas dem Raum der Wärmeübertragungseinrichtung zugeführt werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Zusatz-Pumpeinrichtung derart ausgebildet, dass sie den Zylinder ringförmig umgibt. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Zusatz-Pumpeinrichtung einen in einem ringförmigen Zylinder angeordneten Freikolben mit mindestens einem ringförmigen Querschnitt aufweist. Des Weiteren ist es bei dieser Ausführungsform bevorzugt, dass die Wärmeübertragungseinrichtung zwischen der mindestens einen Zusatz-Pumpeinrichtung und dem Zylinder angeordnet ist, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung hierbei vorzugsweise ebenfalls ringförmig ausgebildet ist. Ebenso ist es möglich, mehrere, insbesondere konzentrisch zueinander angeordnete Zusatz-Pumpeinrichtungen vorzusehen, wobei zwischen diesen jeweils Wärmeübertragungseinrichtungen angeordnet sind.
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Aus dem Expansionsraum kann Wärme an die Wärmeübertragungseinrichtung durch Wärmeübertragung zugeführt werden oder das expandierte Medium in die Wärmeübertragungseinrichtung einströmen. Hierzu ist es bevorzugt, dass der Expansionsraum mit einem Raum der Wärmeübertragungseinrichtung verbunden ist. Insbesondere wenn die Wärmeübertragungseinrichtung den Expansionsraum umgibt und vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist, ist es bevorzugt einen oder mehrere Durchlässe in der Zylinderwand vorzusehen, so dass das Medium unmittelbar aus dem Expansionsraum in einen Raum der Wärmeübertragungseinrichtung strömen kann. Des Weiteren ist es möglich, dass aus dem Raum der Wärmeübertragungseinrichtung Medium in einen Expansionsraum der Zusatz-Pumpeinrichtung strömt. Hierzu ist die Wärmeübertragungseinrichtung über eine Leitung oder einen Durchlass mit dem entsprechenden Expansionsraum verbunden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Energieumwandlung durch überhitzten Dampf erfolgt.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Wärmeübertragungseinrichtung einen Speicherraum auf. In diesem wird vorzugsweise heißes Abgas aus der innenliegenden Kolbenzylindereinrichtung gespeichert. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da somit eine schnellere Bewegung des oder der inneren Kolben gegenüber dem oder den Kolben der Zusatz-Pumpeinrichtung erfolgen kann. Die Zusatz-Pumpeinrichtung wird vorzugsweise nicht durch eine Expansion von Gas und somit eine Explosion betrieben. Bevorzugt ist das Betreiben durch überhitzten Dampf. Dieser kann insbesondere dadurch erzeugt werden, dass Dampf, Wasser oder eine andere Flüssigkeit der Wärmeübertragungseinrichtung zur Überhitzung zugeführt wird. Der Dampf gelangt sodann aus der Wärmeübertragungseinrichtung über einen Durchlass oder eine Leitung aus dem Raum der Wärmeübertragungseinrichtung in den Expansionsraum in der Zusatz-Pumpeinrichtung bzw. den entsprechenden Expansionsräumen, sofern mehrere Zusatz-Pumpeinrichtungen vorgesehen sind. Hierdurch kann eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades erzielt werden.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die mindestens eine Zusatz-Pumpeinrichtung jeweils mindestens einen, insbesondere jeweils zwei Zusatz-Freikolben auf. Diese sind jeweils in einem Zusatz-Zylinder frei bewegbar.
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Zu einer Verbesserung der Pumpleistung sind in einer bevorzugten Ausführungsform der mindestens eine Freikolben der inneren Kolbenzylindereirichtung und/oder der mindestens eine Freikolben der Zusatz-Pumpeinrichtung mit einem Stößel verbunden. Die Stößel ragen in die jeweiligen Förderleitungen.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die vorgesehenen Durchlässe oder Leitungen durch Schieber öffenbar und/oder schließbar sind. Ein Betätigen der Schieber erfolgt hierbei vorzugsweise derart, dass die Schieber mit entsprechenden Freikolben verbunden sind, so dass das Bewegen der Freikolben ein automatisches Öffnen bzw. Schließen der Durchlässe und/oder Leitungen bewirkt.
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Sämtliche vorstehend beschriebene bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung bewirken insbesondere eine Verbesserung des Wirkungsgrades. Dies ist insbesondere durch eine sehr kompakte Bauweise und die Nutzung von Abwärme realisiert. Ferner ist die vorstehend beschriebene Vorrichtung nicht nur zum Pumpen von Flüssigkeiten geeignet, sondern beispielsweise auch zur Kompression von Medien wie Gasen.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
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2 einen schematischen perspektivischen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Bei der in 1 dargestellten schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind innerhalb eines Zylinders 10 zwei Freikolben 12 mit Stößeln 13 angeordnet. Diese sind frei in Längsrichtung des kreisförmigen Zylinders bewegbar. Zwischen den beiden Freikolben 12 ist ein gemeinsamer Expansionsraum 14 ausgebildet. Dem Expansionsraum 14 kann über Zuführleitungen 16 ein Expansionsmedium wie Verbrennungsgas oder überhitzter Dampf zugeführt werden. Durch Expansion des Mediums in dem Expansionsraum 14 erfolgt ein Bewegen der beiden Freikolben 12 in Richtung der Pfeile 18. Hierdurch wird in Förderräumen 20 vorgesehenes Medium gefördert. Das Medium, bei dem es sich insbesondere um eine Flüssigkeit handelt, wird über Förderleitungen 22, die mit den Förderräumen verbunden sind, abgeführt.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zylinder 10 von einer ringförmigen Wärmeübertragungseinrichtung 24 umgeben. Die Wärmeübertragungseinrichtung 24 weist einen ringzylindrischen Raum 26 auf, dessen Innenwand durch den Zylinder 10 gebildet ist. Der Raum 26 ist über Durchlässe 28 unmittelbar mit dem Expansionsraum 14 verbunden.
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Des Weiteren ist im dargestellten Ausführungsbeispiel die ringförmig ausgebildete Wärmeübertragungseinrichtung 24 von zwei ebenfalls im Wesentlichen ringförmig ausgebildeten Zusatz-Pumpeinrichtungen 30 umgeben. Die beiden Zusatz-Pumpeinrichtungen 30 sind in, bezogen auf den Zylinder 10, axialer Richtung hintereinander angeordnet.
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Die beiden Zusatz-Pumpeinrichtungen 30 weisen jeweils einen Expansionsraum 32 auf, der über Durchlässe 34 mit dem Raum 26 der Wärmeübertragungseinrichtung 24 verbunden ist. Über nicht dargestellte Zuleitungen können den im dargestellten Ausführungsbeispiel kreisringförmigen Räumen 26 der Wärmeübertragungseinrichtungen 24 Flüssigkeiten oder Dämpfe, insbesondere Wasser bzw. Wasserdampf zugeführt werden. Dieser wird sodann durch das in die Räume 26 aus dem Expansionsraum 14 geleitete Abgas erhitzt.
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Durch ein Zuführen der überhitzten Dämpfe durch die Durchlässe 34 aus dem Raum 26 in die Expansionsräume 32 erfolgt ein Bewegen des entsprechenden Zusatz-Freikolbens 44 in Richtung der Pfeile 46. Die mit den Freikolben 46 verbundenen Stößel 47 pumpen ein in den Leitungen 42 vorhandenes Fluid.
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Ferner sind die Expansionsräume 32 mit Leitungen 36 verbunden, durch die die Abgase abgeführt werden.
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Bei der dargestellten Ausführungsform erfolgt der Betrieb vorzugsweise mit überhitztem Dampf oder durch Explosion eines Gas-Luft-Gemisches. Dies gelangt nach der Expansion in dem Expansionsraum 14 durch die Durchlassöffnungen 28 in den Raum 26 der Wärmeübertragungseinrichtung 24. Aus diesem gelangt der Dampf über die Durchlässe 34 z. B. zusammen mit dem zugeführten Wasser bzw. Dampf in die Expansionsräume 32. Durch Expansion erfolgt ein Bewegen der beiden in den Zusatz-Pumpeinrichtungen 30 angeordneten Freikolben 44, bei denen es sich um Ringkolben handelt in Richtung der Pfeile 46. Hierdurch erfolgt ein Pumpen des Mediums in den Förderräumen 38. Das Medium wird sodann durch Auslässe 42 ausgestoßen.
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Ebenso können die Durchlässe 34, 40 verschlossen sein, so dass ausschließlich eine Wärmeübertragung erfolgt. Dies ist insbesondere bei dem Betreibenden der Pumpeinrichtung mit Verbrennungsgasen zweckmäßig. Hierbei können die Abgase durch die Durchlässe 28 in die Räume 26 der Übertragungseinrichtungen 24 geleitet werden und werden aus diesem z. B. sodann über nicht dargestellte Auslässe abgeführt.
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Bei einer weiteren in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sind die Zusatz-Pumpeinrichtungen nicht mit ringförmigen Freikolben versehen, sondern weisen einzelne zylindrische Kolbenzylindereinrichtungen 50 auf, die auf einer Kreislinie um den Zylinder 10 angeordnet sind. Der Zylinder 10 und die Freikolben 12 sind entsprechend der anhand 1 beschriebenen Ausführungsform ausgebildet und angeordnet.
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Die Wärmeübertragungseinrichtung 24 ist hierbei zwischen den einzelnen Kolbenzylindereinrichtungen angeordnet. Hierdurch kann der Bauraum verringert werden.
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Die Funktion, insbesondere hinsichtlich der Zu- und Abfuhr der Gase entspricht der ersten Ausführungsform wie sie anhand 1 beschrieben wurde, wobei in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit die entsprechenden Durchlässe sowie auch die Auslässe 36 (1) nicht dargestellt sind. Insbesondere ist es jedoch auch in dieser Ausführungsform bevorzugt, dass der Wärmeübertragungseinrichtung Dampf oder Flüssigkeit zugeführt wird, der sodann aus der Wärmeübertragungseinrichtung über entsprechende Durchlässe in die Expansionsräume 32 der Kolbenzylindereinrichtungen 50 geleitet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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